JP2016149407A - 固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素内に設けられた互いに感度の異なる複数の光電変換部各々の感度の角度依存性を低減し、画像の品質低下を抑制する。
【解決手段】 １つの画素に対応して、基板に形成された第一の光電変換部および前記第一の光電変換部よりも感度の低い第二の光電変換部と、前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部の間に形成されたバリア領域と、前記基板の光入射側に配置されたコアとクラッドを有する導波路と、前記導波路と前記基板とに挟まれた保護層と、が設けられている固体撮像素子であって、前記前記固体撮像素子の前記画素が設けられている画素領域の中心領域に含まれる画素において、前記コアの射出端の中心が、前記バリア領域の中心よりも、前記第一の光電変換部側に位置しており、前記コアの射出端の直下の領域における前記保護層の屈折率分布の標準偏差が、前記基板の面内方向において０．１以下であることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルカメラなどの撮像装置において用いられる固体撮像素子に関するものである。

近年、デジタルカメラなどで取得する画像に対するダイナミックレンジ拡大の要請が高まっている。この課題に対し、特許文献１では、画素中に互いに面積の異なる複数の光電変換部を設けて高感度信号と低感度信号の２種類の画素信号を取得し、これらを合成してダイナミックレンジを拡大する技術が提案されている。

また、動画像と静止画像を同時に取得できるカメラの実現に対する要請も高まっている。一般に、滑らかな動画像を得るためには固体撮像素子の読み出しフレームレートと同程度の露光時間で撮影を行うことが好ましい。それに対して、静止画像の場合には被写体の動きの速さに応じた露光時間を設定することが好ましい。従って、静止画像と動画像を同時に取得するために、露光時間の異なる２種類の画素信号を取得する必要がある。

特許文献２には、動画像信号と静止画像信号を同時に取得するために、１つの画素内に、互いに露光時間が異なる複数の光電変換素子（特許文献１の光電変換部に相当）を備える固体撮像素子が開示されている。露光時間の比較的短い光電変換素子の面積は相対的に広く、露光時間の比較的長い光電変換素子の面積は相対的に狭く形成されており、動画用の光電変換素子の感度と静止画用の光電変換素子の感度は、互いに異なっている。

なお、「光電変換部の感度」とは、単位時間当たりに画素に入射する光量に対する、光電変換部に蓄積される電荷量の比で定義される。

特開２００４−３６３１９３号公報 特開２００４−１２０３９１号公報

特許文献１および特許文献２に開示されている固体撮像素子は、画素内に互いに感度の異なる複数の光電変換部を設けて、所望の画像を取得するための固体撮像素子である。但し、いずれの文献においても、画素の表面に設けたマイクロレンズを用いて光を集光し、各々の光電変換部に導いている。そのため、各々の光電変換部に入射する光量は、画素に入射する光束の入射角度によって異なる。従って、各々の光電変換部は、使用する撮像レンズの射出瞳領域のうちの特定の部分からの光束のみを受光することになる。その結果、ピント位置からずれた被写体のボケ像が歪み、画像の品質が低下してしまうという課題が生じる。

本発明は、画素内に設けられた互いに感度の異なる複数の光電変換部各々の感度の角度依存性を低減し、画像の品質低下を抑制することを目的とする。

本発明にかかる固体撮像素子は、１つの画素に対応して、基板に形成された第一の光電変換部および前記第一の光電変換部よりも感度の低い第二の光電変換部と、前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部との間に形成されたバリア領域と、前記基板の光入射側に配置されたコアとクラッドを有する導波路と、前記導波路と前記基板とに挟まれた保護層と、が設けられている固体撮像素子であって、
前記画素が設けられている画素領域の中心領域に含まれる画素において、前記コアの射出端の中心が、前記バリア領域の中心よりも、前記第一の光電変換部側に位置しており、
前記コアの射出端の直下の領域における前記保護層の屈折率分布の標準偏差が、前記基板の面内方向において０．１以下であることを特徴とする。

さらに、本発明にかかる撮像装置は、筺体内に前記固体撮像素子を備えることを特徴とする。

本発明によれば、画素内に設けられた互いに感度の異なる複数の光電変換部各々の感度の角度依存性が低減され、使用するカメラレンズや絞りの状態による画像の品質低下が抑制された固体撮像素子を提供することができる。

本発明に係る固体撮像素子の一例を示す概略図である。 固体撮像素子の画素における構成例を説明する図である。 第一および第二の光電変換部各々の感度の角度依存性を示す図である。 （ａ）は画素の光入射側からみた平面図（ＸＹ面図）を示す図、（ｂ）は（ａ）に示した一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける画素の断面図の例である。 導波路のずれ量と、光電変換部間の感度比との関係を示す図である。 （ａ）は画素の光入射側からみた平面図（ＸＹ面図）を示す図、（ｂ）は（ａ）に示した一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおける画素の断面図の別の例である。 導波路のずれ量を変えた時の、第一および第二の光電変換部各々の感度の角度依存性を示す図である。 （ａ）はコアの射出端の第二の光電変換部側の端が、バリア領域と第二の光電変換部との境界よりも第二の光電変換部側に位置する場合の、入射角＋θの光の伝搬の様子を模式的に示す図、（ｂ）はコアの射出端の第二の光電変換部側の端が、バリア領域と第二の光電変換部との境界よりも第一の光電変換部側に位置する場合の、入射角度＋θで入射する光１４１の伝搬の様子を示す図である。 コアの射出端と基板表面との間の光学的距離を変えた時の、第一および第二の光電変換部各々の感度の角度依存性を示す図である。 （ａ）は基板表面に対して垂直な方向からみて、コアの入射端の中心とコアの射出端の中心とが重なっている例を示す図、（ｂ）はコアの入射端の中心が、基板の面内方向においてコアの射出端の中心よりも第二の光電変換部側に位置している例を示す図と、（ｃ）導波路のコアの一部が隣接する画素にはみ出している例を示す図である。 （ａ）は固体撮像素子の最も光入射側にマイクロレンズを設けた例を示す図、（ｂ）は導波路と固体撮像素子の最表面との間にマイクロレンズを設けた例を示す図、（ｃ）は固体撮像素子の最も光入射側画素の最上部と導波路と固体撮像素子の最表面との間の双方に、マイクロレンズを設けた例を示す図である。 本発明に好適に用いることのできるマイクロレンズの種々の形状を示す図である。 複数の画素が設けられている場合において、各画素における第一の光電変換部と第二の光電変換部の配置を示す図である。 第一の光電変換部で得られる高感度信号と第二の光電変換部で得られる低感度信号各々の信号強度の、単位時間当たりに画素に入射する光量依存性を示す図である。 第一の光電変換部が第二の光電変換部の容量が等しい例で、（ａ）は第一と第二の光電変換部のＺ軸方向の深さが互いに異なる場合、（ｂ）は第一と第二の光電変換部のＺ軸方向の深さが互いに等しい場合、を示す図である。 本発明にかかる固体撮像素子を備えた撮像装置の概略図である。 （ａ）は従来の固体撮像素子の画素を、光入射側からみた平面図を示す図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線１７Ｂ−１７Ｂにおける断面の構造を示す図、（ｃ）は従来の画素内に設けられた第一および第二光電変換部各々の感度の入射角依存性の例を示す図である。 （ａ）は従来の画素に入射角＋θで入射する光束の伝搬の様子を示す図、（ｂ）は入射角−θで入射する光束の伝搬の様子を示す図である。

以下、図を用いて、本発明にかかる固体撮像素子の実施形態について説明する。その際、全ての図において同様あるいは相当の機能を有するものには同一の数字を付与し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明に係る固体撮像素子１００の一例を示す概略図である。固体撮像素子１００は、画素が複数設けられた画素領域１０３と、周辺回路１０４が配置された領域とを有している。

（画素）
画素１０１は、画素領域１０３の中心領域１０２に配置された画素を指している。ここで、中心領域に配置された画素とは、画素１０１の重心が中心領域１０２の内部に含まれる画素という意味で用いる。

中心領域１０２は、画素領域１０３の中心からの距離が所定の値以下の領域を指している。所定の値は、画素領域１０３の対角線の長さの四分の一以下であることが好ましく、画素領域１０３の対角線の長さの二十分の一以下であれば更に好ましい。

図１に示した固体撮像素子１００では、中心領域１０２に画素１０１が３×３個配置されている例を示したが、画素１０１の配置はこれに限るものではなく、中心領域１０２に少なくとも１つ以上の画素１０１が配置されていれば良い。また、画素１０１と同様の構成を有する画素が、中心領域１０２以外にも配置されていても良い。

図２は固体撮像素子１００の画素１０１における構成例を説明する図である。図２（ａ）は、基板表面を基板に垂直なＺ軸方向から見た時の、画素１０１におけるレイアウトを示す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の一点鎖線２Ｂ−２ＢにおけるＸＺ断面を示す図である。

画素１０１には、光の入射側から、コア１１１およびクラッド１１２を有する導波路１１０と、保護層１１６と、基板１２０と、が配置されている。そして、基板１２０中には、第一の光電変換部１２１と、第二の光電変換部１２２と、光電変換部１２１、１２２間に形成されたバリア領域１２３が設けられている。

（光電変換部およびバリア領域）
光電変換部１２１、１２２は、検出する波長帯域で吸収を有するシリコンなどの材料で形成された基板１２０に、イオン打ち込みなどでポテンシャル分布を形成することにより形成される。バリア領域１２３は、第一の光電変換部と第二の光電変換部間の電荷クロストークを抑制するポテンシャル障壁を有している。図２（ｃ）に示すように、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２との間に形成されるポテンシャル障壁の最大値を含み、ポテンシャル障壁の最大値の９割以上の大きさのポテンシャルを有する領域が、バリア領域１２３に相当する。

バリア領域１２３のポテンシャル障壁の大きさは、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２との間で許容される電荷クロストークの量を考慮して決めればよい。光電変換部１２１、１２２の各々で得られる画素信号を独立に取得するには、ポテンシャル障壁を高くして、電荷クロストークの量を抑制するのが好ましい。特にバリア領域１２３のポテンシャル障壁の高さを、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２を囲む前記バリア領域以外の領域に設けられているポテンシャル障壁の高さ（図２（ｃ）の１２８、１２９）以上とすると、更に好ましい。このような構成とすることで、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２との間のクロストークを、画素間のクロストークと同等程度まで低減することができるからである。但し、許容される電荷クロストークの量が大きい場合には、バリア領域１２３のポテンシャル障壁の高さが、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２を囲む前記バリア領域以外の領域に設けられているポテンシャル障壁の高さより小さくても良い。

画素内に図２（ｃ）のようなポテンシャル分布を形成するには、第一の光電変換部１２１および第二の光電変換部１２２に対応する領域ではなく、バリア領域１２３に対応する領域にイオンを打ち込んで、ポテンシャル障壁を形成してもよい。また、光電変換部とバリア領域の両方にイオン打ち込みを行ってもよい。この時、光電変換部に対応する領域に打ち込むイオンと、バリア領域に打ち込むイオンとは逆の導電性を有していることが好ましい。

なお、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２とは、図２のようにＸ軸方向に並置されている必要はなく、Ｘ軸と０°より大きな角度を成す方向に並置されていても良い。また、第一の光電変換部１２１および第二の光電変換部１２２の基板表面における開口形状は、図２（ａ）に示すような長方形でなくても良く、円形や楕円形、多角形などでもよい。多角形の角は製造プロセスで形成される丸みを帯びていても良い。

（保護層）
保護層１１６は、製造プロセス中に受ける光電変換部へのダメージを低減したり、配線など他の部材からの不純物が光電変換部へ侵入するのを抑制したりするために設けられている。加えて、コア１１１から光電変換部へ入射する光の反射を抑制する反射防止など他の機能を有していていも良い。また、保護層１１６は、基板表面に垂直な方向に複数の層が積層された層であってもよい。

（導波路）
導波路１１０は、コア１１１の屈折率がクラッド１１２の屈折率よりも大きくなる材料の組み合わせで構成されている。コア１１１およびクラッド１１２は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、ＢＰＳＧなどの無機物、ポリマーや樹脂等の有機物から選択して使用することができる。

図２（ａ）の破線１１１Ｅは、コア１１１の基板１２０側の端面、即ち、射出端を示している。図２（ａ）では、コアの射出端１１１Ｅの中心１１３が、バリア領域１２３の中心１２４よりも、第一の光電変換部の側（−Ｘ側）に位置するように、導波路１１０が設けられている。ここでいう、バリア領域の中心とは、バリア領域の基板表面における形状を、Ｚ方向から平面視した際の図形の重心を指す。同様に、コアの射出端の中心とは、コアの射出端をＺ方向から平面視した際の図形の重心を指す。以下、簡略化のため、バリア領域の中心１２４に対する、コアの射出端の中心１１３の−Ｘ方向へのずれ量を、単に導波路のずれ量と呼ぶ場合がある。

導波路１１０を伝搬する光はコア１１１に集中している。そのため、コア１１１の射出端の中心１１３との距離が相対的に近い第一の光電変換部１２１に入射する光量の方が、コア１１１の射出端の中心１１３との距離が相対的に遠い第二の光電変換部１２２に入射する光量よりも多くなる。即ち、バリア領域の中心１２４に対して、コアの射出端の中心１１３を第一の光電変換部側にずらして配置することで、第一の光電変換部１２１の感度を第二の光電変換部１２２の感度よりも高くすることができる。

クラッド１１２の一部には、光電変換部の露光時間を設定するための駆動信号を伝送したり、光電変換部で取得した信号を読み出したりするための配線１２５が配置されている。周辺回路１０４から配線を通じて画素へ送られる駆動信号によって、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２を所望の露光時間で動作させることが可能となる。

（まとめ）
以上説明したように、本発明にかかる固体撮像素子１００中の画素１０１では、画素に入射した光束を、バリア領域の中心からずらして配置された導波路によって光電変換部１２１、１２２各々まで導いている。この様な構成を採用することにより、マイクロレンズを用いて画素に入射した光を各々の光電変換部へと導く従来の固体撮像素子に比べ、互いに感度の異なる複数の光電変換部各々の感度の角度依存性を低減することができる。以下、従来の固体撮像素子と比較して説明する。

（従来の固体撮像素子における角度依存性）
図１７（ａ）は、比較のために示した従来の固体撮像素子中の画素１００１を、光入射側からみた基板表面（ＸＹ面）のレイアウトを示す図、１７（ｂ）は、１７（ａ）の一点鎖線１７Ｂ−１７Ｂにおける断面（ＸＺ面）の構造を示す図である。図１７（ｂ）に示す画素１００１には、コアとクラッドとを備える導波路は設けられておらず、画素に入射した光を、マイクロレンズ１０１０によって各々の光電変換部へと導いている点が、図２に示す本発明の固体撮像素子中の画素１０１とは異なる。

図１８に、従来の固体撮像素子中の画素１００１に入射する光束の伝搬の様子を示す。図１８（ａ）は、＋Ｘかつ−Ｚの方向に入射（入射角＋θで入射）する光束の伝搬の様子、図１８（ｂ）は、−Ｘかつ−Ｚの方向に入射（入射角−θで入射）する光束の伝搬の様子を示している。図１８より、マイクロレンズの結像関係によって、＋Ｘかつ−Ｚの方向に入射する光束は第二の光電変換部１０２２に選択的に導かれ、−Ｘかつ−Ｚ方向に入射する光束は第一の光電変換部１０２１に選択的に導かれていることがわかる。その結果、＋Ｘかつ−Ｚ方向に入射する光束に対しては第二の光電変換部１０２２の感度が高く、−Ｘかつ−Ｚ方向に入射する光束に対しては第一の光電変換部１０２１の感度が高くなる、という感度の角度依存性が生じる。

マイクロレンズを備える画素１００１内の光電変換部１０２１、１０２２各々の感度の入射角依存性の例を図１７（ｃ）に示す。横軸は、画素に傾いて入射する光束の入射角θを示しており、θ＝０°は、マイクロレンズの光軸に平行な光束が、画素に入射する場合を示している。

図１７（ｃ）からわかるように、第一の光電変換部１０２１および第二の光電変換部１０２２は、角度範囲１０４０において、特に感度の角度依存性が高くなっている。このように、光電変換部の感度の角度依存性が大きい場合、使用する撮像レンズの射出瞳領域のうちの特定の部分からの光束のみを受光することになる。そのため、ピント位置からずれた被写体のボケ像が歪み、画像の品質が低下してしまう。

（導波路の配置と角度依存性）
ここで、画素の角度依存性の原因となっているマイクロレンズを省いた場合を考える。画素の光入射面側に設けられるマイクロレンズは、外部から画素に入射する光束を集光し、画素内の第一の光電変換部と第二の光電変換部へと導く役割を担っている。そのため、単にマイクロレンズを省いてしまうと、特に画素に対して斜めに入射した光束が集光されずに直進し、その一部が隣接画素に入射する、いわゆる画素間クロストークが増大する。その結果、画像の品質が低下してしまう。

一方、本発明における固体撮像素子１００中の画素１０１は、マイクロレンズによる結像関係ではなく、コアの射出端の中心をバリア領域の中心に対して第一の光電変換部側へずらした導波路を用いて、光電変換部に光束を導いている。導波路に入射した光は、複数の導波モードに結合してから射出されるため、マイクロレンズによって集光された光よりも、導波路射出端における光の強度分布が均一に近づく。その結果、各々の光電変換部の感度の角度依存性を低減することができる。さらに、導波路によって、画素に対して斜めに入射した光も光電変換部１２１、１２２に効率よく導くことができるため、画素間クロストークを抑制することもできる。

図３に、図２に示した画素１０１中の光電変換部１２１、１２２各々の感度の角度依存性を示す。横軸は、ＸＺ平面内において傾いて入射する光束の入射角（θ）を示している。以下、光電変換部の感度の角度依存性を示す図は、いずれも同様に表すこととする。

図３と図１７（ｃ）を比較してわかるように、光電変換部１２１、１２２各々の感度の入射角依存性は、光電変換部１０２１、１０２２よりも格段に低減しており、入射角によらずほぼ均一な感度特性を示している。即ち、各々の光電変換部１２１、１２２は使用する撮像レンズの射出瞳領域の全領域からの光をほぼ均一に受光できる。その結果、ピント位置からずれた被写体のボケ像の歪が低減し、画像の品質が向上する。

（感度比からみた好ましい導波路のずれ量）
コアの射出端１１１Ｅの中心１１３の、バリア領域１２３の中心１２４に対するずれ量は、光電変換部１２１、１２２間に求められる感度比によって変えればよい。第一の光電変換部の感度を、第二の光電変換部の感度よりも十分大きくするためには、図４に示すように、コアの射出端の第二の光電変換部側の端１１４が、第二の光電変換部の中心１２６よりも、第一の光電変換部側に位置している方が、好ましい。図４（ａ）は画素１０１の光入射側からみた平面図（ＸＹ面図）を示す。図４（ｂ）は図４（ａ）に示した一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける画素１０１の断面図を示している。コアの射出端１１１Ｅの第二の光電変換部側の端１１４とは、コアの射出端１１１ＥをＺ方向から見た平面視した際に、最も第二の光電変換部側に位置する点（図４ではＸ座標が最も大きい点）を指す。また、光電変換部１２２の中心１２６とは、光電変換部１２２の基板表面での形状をＺ方向から平面視した際の図形の重心を指す。

図５に、導波路のずれ量（図の横軸）と、感度比＝（光電変換部１２２の感度）／（光電変換部１２１の感度）（図の縦軸）との関係を示す。図５中の一点鎖線は、コアの射出端１１１Ｅの第二の光電変換部側の端１１４が、第二の光電変換部１２２の中心１２６に一致する場合を示している。従って、一点鎖線より右側は、端１１４が、中心１２６よりも−Ｘ側（第一の光電変換部１２１側）にある場合、即ち、図４に示す位置関係の場合である。一点鎖線より左側は、端１１４が、中心１２６よりも＋Ｘ側にある場合である。図５からわかるように、端１１４が中心１２６よりも＋Ｘ側にある場合、感度比は５０％以上となり、光電変換部１２１と光電変換部１２２との感度の相違が殆どなくなってしまう。そのため、コア１１１の射出端の第二の光電変換部側の端１１４が、光電変換部１２２の中心１２６よりも、第一の光電変換部側に位置している方が好ましい。

（感度の角度依存性からみた好ましい導波路のずれ量）
更に、図６に示すように、コア１１１の射出端の第二の光電変換部側の端１１４が、バリア領域１２３と第二の光電変換部１２２の境界１２７よりも、第一の光電変換部側に位置していた方が好ましい。なぜなら、第一の光電変換部１２１および第二の光電変換部１２２の感度の角度依存性が更に低減することができるためである。

さらに、コアの射出端１１１Ｅの第二の光電変換部側の端１１４が、バリア領域１２３と第一の光電変換部１２１の境界よりも、第二の光電変換部１２２側（＋Ｘ側）に位置している方が好ましい。もし、コアの射出端１１１Ｅの第二の光電変換部側の端１１４がバリア領域と第一の光電変換部の境界よりも−Ｘ側に位置していると、導波路から射出された光がほぼ全て第一の光電変換部に入射してしまい、第二の光電変換部の感度が低くなりすぎてしまう。その結果、第二の光電変換部で取得する画像の品質が低下してしまう。

即ち、コアの射出端１１１Ｅの第二の光電変換部側の端１１４が、バリア領域と第一の光電変換部の境界よりも第二の光電変換部側に位置し、かつ、バリア領域と第二の光電変換部の境界よりも第一の光電変換部側に位置している場合が、最も好ましい構成である。

図６（ａ）は画素１０１の光入射側からみた平面図（ＸＹ面図）を示す。図６（ｂ）は図６（ａ）に示した一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおける画素１０１の断面図を示している。バリア領域１２３と第二の光電変換部１２２の境界１２７とは、光電変換部１２２の基板表面での形状をＺ方向から平面視したとき、最も第一の光電変換部１２１側に位置する点（図５ではＸ座標が最も小さい点）を指す。

図７に、導波路のずれ量を変えた時の、光電変換部１２１および光電変換部１２２各々の感度の角度依存性を示す。図７（ａ）から（ｄ）に向かうにつれて、ずれ量が小さくなっていく。図７（ａ）、（ｂ）は、端１１４が境界１２７よりも−Ｘ側、即ち第一の光電変換部１２１側に位置している図６の配置に相当する。図７（ｃ）、（ｄ）は、端１１４が境界１２７よりも＋Ｘ側、即ち、第二の光電変換部１２２側に位置している図４の配置に相当する。

図７より、光電変換部の角度依存性は、図７（ａ）および（ｂ）において、図７（ｃ）および（ｄ）より低減されることがわかる。従って、図６のように、端１１４が境界１２７よりも第一の光電変換部側（−Ｘ側）に位置していれば、第一の光電変換部１２１および第二の光電変換部１２２の感度の角度依存性を更に低減することができるため、更に好ましい。

図６の配置において、より第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２各々の感度の角度依存性をより低減できる理由は次のように説明できる。

図８（ａ）に、端１１４が境界１２７よりも、第二の光電変換部側（＋Ｘ側）に位置する場合の光の伝搬の様子を模式的に示した。図８（ａ）に示すように、角度範囲１４０に含まれる、＋Ｘかつ−Ｚ方向に入射、つまり角度＋θで入射する光１４１は、特定の複数の導波モード１４２に選択的に結合し、導波路から光電変換部１２２へ射出される。光電変換部１２２内に入射した光は、電子に変換されたのち、光電変換部内の強いドリフト電界によってほとんどが光電変換部１２２内に蓄積される。従って、特定の角度（図７では角度範囲１４０）で入射した光に対する光電変換部１２２の感度が高くなり、角度依存性が生じてしまう。

一方、図８（ｂ）に、端１１４が、境界１２７よりも第一の光電変換部側（−Ｘ側）に位置する場合における、角度＋θで入射する光１４１の伝搬の様子を示す。この場合も、図８（ａ）の場合と同様に、角度＋θで入射した光は特定の複数の導波モードに選択的に結合し、そのモードに結合した光が導波路から射出される。しかし、射出された光は光電変換部１２２へは入射せず、バリア領域１２３に入射する。バリア領域１２３に入射した光は、バリア領域内で光電子に変換された後、基板内を拡散して光電変換部１２１、１２２のどちらかに蓄積される。従って、光電変換部１２１、１２２各々の感度の角度依存性は、図８（ａ）の場合よりも小さくなる。

従って、端１１４が境界１２７より−Ｘ側に位置していると、端１１４が境界１２７より＋Ｘ側に位置している場合より、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２の感度の角度依存性更に低減することができる。

なお、図７（ｃ）、（ｄ）と図１７（ｃ）を比較してわかるように、端１１４が境界１２７よりも第二の光電変換部側に位置する場合でも、第一の光電変換部と第二の光電変換部各々の感度の角度依存性は、従来の固体撮像素子よりは改善されている。これは、特定の複数の導波モード１４２に結合した光であっても、導波路射出端における光の強度分布は、マイクロレンズを用いて集光した場合よりも均一であるためである。

（補足）
また、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２の面積は図２に示すように異なっていても良いし、同じであっても良い。光電変換部の開口面積が同じであっても、バリア領域１２３の中心１２４に対してコアの射出端の中心１１３がずれていれば、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２の感度を異ならせることができる。

なお、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２とが、ＸＹ平面において、Ｘ軸と角度β（＞０°）を成す方向に並置されている場合、コアの射出端の中心１１３も、バリア領域の中心１２４に対してＸ軸と角度βを成す方向にずれて配置される。

（保護層と角度依存性）
次に、保護層の好ましい膜厚について述べる。

図９に、コアの射出端１１１Ｅと基板１２０表面との間の光学的距離Ｌ、言い換えると、保護層の厚さｔを変えた時の、第一の光電変換部１２１、第二の光電変換部１２２の感度の角度依存性を示す。光学的距離Ｌとは、実距離ｔに保護層１１６の屈折率ｎを乗じた値、即ち、Ｌ＝ｎ＊ｔである。なお、保護層が複数の異なる層から構成されている場合、光学的距離Ｌは、各々の層の実距離に各々の層の屈折率を乗じた値の和である。

図９（ａ）から（ｄ）へ向かうにつれて、光学的距離Ｌが大きくなっている。

図９（ａ）、（ｂ）は、光学的距離Ｌを、第一光電変換部および第二光電変換部が感度を有する光の中心波長λで割った、Ｌ／λの値が、各々０．５、１．５の場合である。また、図９（ｃ）、（ｄ）は、Ｌ／λの値が各々２．６、３．８の場合である。図９から、特に角度範囲１４０において、図９（ａ）、（ｂ）の第一の光電変換部１２１および第二の光電変換部１２２の感度の角度依存性が、共に図９（ｃ）、（ｄ）の場合よりも低減していることがわかる。

従って、コアの射出端１１１Ｅと基板１２０の光入射側の面との間の距離が短い方が好ましく、特に、コアの射出端１１１Ｅと基板１２０表面との間の光学的距離が、光電変換部が感度を有する光の波長の２倍以下であることが好ましい。ここで、光電変換部が感度を有するとは、光電変換部１２１、１２２の合計で、画素に入射した光のうち５％以上の光を吸収する場合を意味する。

この理由は、以下に示すように理解することができる。前述したように、角度範囲１４０に含まれる角度で入射する光は、特定の複数の導波モードに選択的に結合する。そして、特定のコアの射出端１１１Ｅから射出された後、保護層内を伝搬する特定の伝搬モードに結合する。従って、基板１２０表面との間の距離が長い場合、コアの射出端１１１Ｅから射出された光は、基板１２０の表面に達するまでの間に、保護層１１６内を伝搬する。この伝搬した光の一部が、第二の光電変換部１２２へ入射して電荷に変換され、ほとんどが第二の光電変換部１２２内に蓄積されることになる。従って、特定の角度で入射した光に対する光電変換部１２２の感度が高くなり、感度の角度依存性が生じてしまう。

なお、図８（ｃ）、（ｄ）と図１７（ｃ）を比較してわかるように、導波路１１０の射出端と基板１２０の表面の間の光学的な距離が、光電変換部が感度を有する光の波長の２倍より大きい場合も、従来の固体撮像素子よりは感度の角度依存性が低減している。この理由は、前述したように、特定の複数の導波モード１４２に結合した光であっても、導波路射出端における光の強度分布は、マイクロレンズを用いて集光した場合よりも均一であるためである。

また、コアの射出端１１１Ｅの直下の領域における保護層１１６の屈折率は、基板の面内方向（ＸＹ面）において分布が一様であることが好ましい。保護層１１６に面内方向の屈折率分布がある場合導波路１１０によって均一に近い状態で射出された光束が、ＸＹ方向の屈折率分布によって基板１２０の表面に達するまでに伝搬モードが変化してしまう。その結果、第一の光電変換部１２１、第二の光電変換部１２２の感度に角度依存性が生じてしまうからである。屈折率分布が一様とは、屈折率分布の標準偏差が０．１以下であることを指す。

屈折率分布は、コアの射出端直下において、第一の光電変換部と第二の光電変換部との重心を結ぶ線上であって、かつバリア領域上に位置する点および第一光電変換部上に位置する点を含む、５点以上で保護層の屈折率を測定して求めることができる。なお、測定は、膜厚方向における基板表面からの距離が互いに等しい点で行うものとする。具体的には、保護層が複数の層で構成されている場合は、同一層内で屈折率の測定を行なう。

屈折率は、干渉計やエリプソメータなどによって測定することで求めることができる。また、ＦＴＩＲやＸＲＤ、質量分析などによる材料の組成分析を行って保護層を形成する材料の組成を測定し、それを屈折率に換算しても良い。

（導波路の形状と配置）
本発明における導波路の形状は、コアの射出端の中心１１３が、バリア領域の中心１２４に対して第一の光電変換部の側（−Ｘ側）にずれていれば、図２に示した形状に限定されるものではない。例えば、図１０（ａ）のように、前記基板表面に対して垂直な方向（Ｚ方向）からみて、コアの入射端の中心１１５とコアの射出端の中心１１３とが重なっていても良い。また、図１０（ｂ）のようにコアの入射端の中心１１５が、基板の面内方向（ＸＹ方向）においてコアの射出端の中心１１３よりも第二の光電変換部（−Ｘ方向）側に位置していても良い。更に、図１０（ｃ）のように、導波路のコアの一部が隣接する画素にはみ出していても良い。ただし、隣接画素との画素間クロストークを避けるため、コアの射出端の第一の光電変換部側の端は、隣接画素にはみ出していない方が好ましい。ここで、コアの射出端の第一の光電変換部側の端とは、コアの射出端をＺ方向から見た平面図のうち、最も第一の光電変換部側に位置する点（図１０では、Ｘ座標が最も小さい点）を指す。

また、「コアの入射端の中心」とは、「コアの射出端の中心」と同様、コアの入射端をＺ方向から平面視した際の図形の重心を指す。

図１０（ａ）の構成は、比較的容易に作製できるため、好ましい。一方、図１０の（ｂ）や（ｃ）の構成は、コア１１１の射出端の第二の光電変換部側の端を、バリア領域１２３と光電変換部１２２の境界よりも、第一の光電変換部側（−Ｘ側）に配置させやすくなるため、好ましい。図１０（ｂ）の構成の導波路は、厚みの異なる犠牲層を成膜したのちにエッチングを行うか、開口部の大きさを変えて多段エッチングを行えば、作製することができる。

また、コア１１１の平面視形状は、図２（ａ）に示すような円形でなくても良く、楕円形や多角形などでも良い。多角形の角は製造プロセスで形成される丸みを帯びていても良い。

（マイクロレンズ）
更に、導波路１１０よりも光の入射側にマイクロレンズを設けても良い。マイクロレンズを設けることによって、画素１０１に入射した光を導波路に効率よく導くことが可能となるため、好ましい。一方、マイクロレンズを設けることにより、光電変換部１２１、１２２間の感度の角度依存性が大きくなる。そのため、角度依存性を低減する観点からは、マイクロレンズを用いない方が好ましい。但し、マイクロレンズを設けた場合でも、従来の固体撮像素子よりは、光電変換部の角度依存性が低減する。以下で理由を説明する。

従来の固体撮像素子の様に、マイクロレンズと光電変換部との間に導波路がない場合は、マイクロレンズの結像関係の影響がそのまま光電変換部の感度の角度依存性に反映される。しかし、マイクロレンズと光電変換部の間に導波路がある場合、マイクロレンズを介して入射した光は、導波路の入射端に入る。導波路の入射端から入射した光は、導波路内を複数の導波モードに結合して伝搬し、光電変換部へと射出されるため、導波路入射端よりも導波路射出端において光の強度分布が均一に近づく。つまり、従来の固体撮像素子のように、画素に入射した光がマイクロレンズだけを介して光電変換部へ集光される場合よりも、光の強度分布を均一にすることができる。以上より、本発明では、導波路よりも光の入射側にマイクロレンズを設けた場合であっても、従来の固体撮像素子に比べて、光電変換部の角度依存性を低減することができる。

図１１（ａ）は画素の最表面にマイクロレンズ１０３を設けた例である。図１１（ｂ）は、導波路と画素の最表面との間にマイクロレンズ１０３を設けた例であり、特にコア１１１を構成する材料でマイクロレンズを形成した場合を示している。図１１（ｃ）は、画素の最表面と導波路と固体撮像素子の最表面との間の双方に、マイクロレンズ１０３−１、１０３−２を設けた例である。マイクロレンズを構成する材料には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、ＢＰＳＧなどの無機物、ポリマーや樹脂等の有機物を使用することができる。

（方向によって屈折力が異なるマイクロレンズ）
図１２のように、Ｘ方向とＹ方向で屈折力の異なるマイクロレンズを用いれば、感度比の角度依存性を減少させつつ、光電変換部の感度を向上させることができるため、更に好ましい。図１２（ａ）は、画素１０１のＸＹ平面におけるレイアウトの概略を示している。図１２（ｂ）〜（ｄ）の各々には、図１２（ａ）の一点鎖線Ｉ−ＩにおけるＸ−Ｚ断面図を左側に、図１２（ａ）の一点鎖線ＩＩ−ＩＩにおけるＹ−Ｚ断面図を右側に示している。

第一の光電変換部の中心と第二の光電変換部の中心とを結ぶ第一の方向（一点鎖線Ｉ−Ｉの方向）のマイクロレンズの屈折力が大きい場合、導波路入射端における第一の方向の光の強度分布は、画素に対して入射する光の、第一の方向の入射角に大きく依存する。導波路入射端における光の第一の方向の強度分布が異なるほど、導波路から射出される光の第一の方向の強度分布が異なるため、各々の光電変換部に入射する光の割合も変化する。従って、第一の方向のマイクロレンズの屈折力が大きい場合、各々の光電変換部の第一の方向の角度依存性が大きくなる。

一方、前記基板表面（ＸＹ平面）において第一の方向に垂直な第二の方向（一点鎖線ＩＩ−ＩＩの方向）のマイクロレンズの屈折力は、導波路から射出される光の第二の方向の強度分布にしか影響を及ぼさない。第一の光電変換部と第二の光電変換部は第一の方向に並置されているため、第二の方向の強度分布が異なっていても、各々の光電変換部に入射する光の割合の変化は小さい。

以上より、感度の角度依存性に大きく影響するマイクロレンズのＸ方向の屈折力は小さくした方が良く、感度の角度依存性に対する影響が小さいＹ方向については、光電変換部の感度を重視してマイクロレンズのＹ方向の屈折力を大きくする方が好ましい。即ち、ＸＹ平面において、第一の光電変換部の中心と第二の光電変換部の中心とを結ぶ第一の方向における屈折力が、第一の方向に垂直な第二の方向の屈折力よりも小さいマイクロレンズを用いるのが好ましい。特に、マイクロレンズの第二の方向の結像点がコア１１１の入射端近傍であれば、最も光電変換部１２１、１２２の感度を大きくすることができる。

図１２に示したマイクロレンズは、いずれも第一の方向がＸ軸方向、第二の方向がＹ軸方向と一致している例である。図１２（ｂ）は、光入射面のＸＺ断面における曲率半径が、ＹＺ断面における曲率半径よりも大きいマイクロレンズを配置する例である。図１２（ｃ）は、Ｘ軸方向の屈折力がゼロ、即ち、Ｘ軸方向を軸とするシリンドリカルレンズを配置する例である。図１２（ｄ）は、Ｘ軸方向の屈折力がＹ軸方向の屈折力よりも小さくなるよう、波長の１／１０程度以下の大きさの複数の微小な構造を設けて、Ｘ軸方向とＹ軸方向の屈折率分布を独立に制御したデジタルレンズを配置する例である。

ここまでは、基板１２０に対して、導波路１１０と同じ側に配線１２５が配置されている表面照射型の固体撮像素子の例を示したが、基板１２０の導波路１１０とは反対側に配線１２５が配置されている裏面入射型の固体撮像素子であっても良い。裏面照射型の固体撮像素子に本発明を適用した場合、導波路１１０のレイアウトと配線１２５のレイアウトを各々独自に決定できるため、製造が容易となり、好ましい。特に、図１０（ｃ）のように、導波路の一部が隣接画素にはみ出している場合、表面照射型では導波路によって配線レイアウトの自由度が制限されるため、裏面照射型を採用することが好ましい。

（画素領域内における複数画素の配置）
固体撮像素子１００の画素領域１０３に、複数の画素１０１が設けられている場合、画素における前記第一の光電変換部と第二の光電変換部との配置関係が、複数の画素間で同じであってもよいし、異なっていても良い。

但し、特に図１０（ｃ）のように、導波路１１０の一部が隣接する画素にはみ出している場合、図１３（ａ）あるいは図１３（ｂ）のような構成とすることで、隣接する画素１０１間で導波路のコア１１１が干渉することなく配置できるため、好ましい。

図１３（ａ）は、各画素１０１において第一の光電変換部１２１の中心から第二の光電変換部１２２の中心へ向かう向きが、複数の画素間で同じ＋Ｘ方向の場合である。図１３（ｂ）は、第一の光電変換部の中心と第二の光電変換部の中心とを結ぶ線と直交する方向に互いに隣接する複数の画素１０１間で、第一の光電変換部の中心から同じ画素内の第二の光電変換部の中心へ向かう向きが、互いに反転している場合である。図１３では、各画素における第一の方向が、複数の画素間で互いに平行であるため、第二の方向は、隣接する画素で同じ方向になっている。

第一の光電変換部１２１の中心から同じ画素内に設けられた第二の光電変換部１２２の中心へ向かう方向は、画素１０１毎に、Ｘ軸方向やＹ軸方向、Ｘ軸に対して斜め方向、と異なっていても良い。

（実施形態１）
実施形態１では、本発明に係る固体撮像素子を用いて、高感度信号と低感度信号を取得し、それらを合成してダイナミックレンジの広い画像を形成する例について、図１および図２を用いて説明する。

本実施形態の場合、光が入射する割合の高い第一の光電変換部１２１で高感度信号、光が入射する割合の低い第二の光電変換部１２２で低感度信号を取得する。そして、光電変換部１２１、１２２は、周辺回路１０４から配線１２５を介して送られる信号により、露光時間が互いに等しくなるように駆動される。

各々の光電変換部で取得した信号は、配線１２５によって周辺回路１０４に転送され、周辺回路１０４から外部へと出力される。周辺回路１０４は、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２の各々で取得した信号をそのまま出力してもよいし、画素に入射する光量が閾値以下の場合には高感度信号を出力し、閾値以上の場合には低感度信号を出力してもよい。閾値は、高感度信号が飽和する信号強度よりも小さく、低感度信号が所望のＳＮ比となる信号強度よりも大きい値となるように設定される。

ここで、高感度信号と低感度信号を用いてダイナミックレンジを拡大する手法について説明する。図１４は、高感度信号１０３１と低感度信号１０３２各々の信号強度の、単位時間当たりに画素に入射する光量依存性を示すものである。図１４（ａ）に示すように、高感度信号１０３１の信号強度が第一の閾値１０５１以下の場合には、高感度信号１０３１を、第二の閾値１０５２以上の場合には低感度信号１０３２を使用し、両者を合成することによりダイナミックレンジの広い画像を取得できる。

第一の閾値１０５１は、高感度信号１０３１が飽和する信号強度よりも小さい信号強度に設定され、第二の閾値１０５２は低感度信号１０３２のＳＮ比が所望の値よりも大きくなる信号強度に設定される。従って、高感度信号１０３１の信号強度が第一の閾値１０５１となる時に画素に入射する光量１０６１よりも、低感度信号１０３２の信号強度が第二の閾値１０５２となる時に画素に入射する光量１０６２の方が、小さい必要がある。

ここで、固体撮像素子として図１７に示す従来の固体撮像素子を使用した場合を考える。図１７（ｃ）よりわかるように、特に角度範囲１０４０において、光電変換部１０２１、１０２２間の感度比の角度依存性が大きくなっている。そのため、使用する撮像レンズや絞りの状態によって、光電変換部１０２１、１０２２間の感度比が変化してしまう。その結果、画像の品質が低下したり、ダイナミックレンジが狭くなったりするという課題も発生する。以下で説明を行う。

図１４（ｂ）は、使用する撮像レンズのＦ値が大きかったり、絞りを絞ったりすることにより、第一の光電変換部と第二の光電変換部の間の感度比が大きくなった場合を示している。例えば、図１７（ｃ）における角度範囲１０４１の光束が画素に入射する場合に相当する。

この場合、高感度信号１０３１の信号強度が第一の閾値１０５１となる時の画素に入射する光量１０６１よりも、低感度信号１０３２の信号強度が第二の閾値１０５２となる時の画素に入射する光量１０６２の方が、大きくなってしまう。そのため、画素に入射する光量の大きさが範囲１０６３にあると、高感度信号１０３１は飽和し、低感度信号１０３２はＳＮ比が不足してしまう。従って、高感度信号１０３１と低感度信号１０３２のつなぎ目にあたる範囲１０６３において、合成画像の品質が低下してしまう。信号の飽和は、光電変換部に入射する光量が、光電変換部に蓄積可能な電荷量を発生させる光量を超えた場合に生じる。

次に、第一の光電変換部と第二の光電変換部との間の感度比が小さくなった場合を考える。図１４（ｃ）は、使用するレンズのＦ値が小さかったり、絞りを開放したりすることにより、第一の光電変換部と第二の光電変換部の間の感度比が小さくなった場合を示している。例えば、図１７（ｃ）における角度範囲１０４２の光束が画素に入射する場合に相当する。この場合は、図１４（ａ）の場合よりも、第一の光電変換部において所望のＳＮ比を得るために必要な光量が多くなる。加えて、図１４（ａ）の場合より少ない光量で、第二の光電変換部が飽和してしまう。その結果、高感度信号１０３１が第二の閾値１０５２よりも小さくなる範囲と低感度信号１０３２が飽和する範囲１０６４の分だけ、合成した画像のダイナミックレンジが狭くなってしまう。

このように、光電変換部間の感度比の角度依存性が大きいと、固体撮像素子に光を入力するために使用する使用するレンズや絞りの状態によって、信号のつなぎ目で画像の品質が低下したり、ダイナミックレンジが狭くなったりするという課題が発生する。しかし、本発明に係る固体撮像素子は、図３に代表されるように、感度の異なる複数の光電変換部の、感度の角度依存性が低減されている。そのため、前述したボケ像の歪が低減するという効果だけではなく、所望以上のＳＮ比を実現しつつ、ダイナミックレンジの広い画像も取得することができる。

光電変換部間に求められる感度比は、合成画像に求められるダイナミックレンジやＳＮ比から決定される。本実施形態では、バリア領域１２３の中心１２４に対するコアの射出端１１１Ｅの中心１１３のずれ量を、合成画像に求められるダイナミックレンジやＳＮ比から決定すればよい。

また、高感度信号を取得する第一の光電変換部１２１の感度をＳ１、容量をＣ１、低感度信号を取得する第二の光電変換部１２２の感度をＳ２、容量をＣ２とした時、両方の信号の合成によってダイナミックレンジを拡大するには以下の関係が必要である。
Ｃ１／Ｓ１＞Ｃ２／Ｓ２ （式１）

なぜなら、Ｃ１／Ｓ１≦Ｃ２／Ｓ２の場合、高感度信号を取得する第一の光電変換部が、低感度信号を取得する第二の光電変換部が飽和する光量以下で飽和してしまうためである。Ｃ１／Ｓ１がＣ２／Ｓ２の２倍以上であれば更に好ましい。なお、Ｃ１／Ｓ１、Ｃ２／Ｓ２は、各々の光電変換部に電荷として蓄積可能な最大光量である。

第一光電変換部の感度Ｓ１と第二の光電変換部の感度Ｓ２の比は、前述したように、バリア領域１２３の中心１２４に対するコアの射出端１１１Ｅの中心１１３のずれ量によって変えることができる。

光電変換部の容量Ｃ１やＣ２を大きくするには、光電変換部の体積を広げるか、光電変換部のドープ濃度を大きくすれば良い。光電変換部の体積を広げるには、イオンを打ち込む面積を広げて、光電変換部の開口を広げるか、基板にイオンを深く打ち込んで光電変換部を深くすればよい。但し、光電変換部１２１、１２２の深さおよびドープ濃度が等しい方が、同一のイオン打ち込み条件で光電変換部１２１、１２２を形成できるため、製造プロセスが容易となり好ましい。

なお、光電変換部１２１と光電変換部１２２の露光時間が等しくなくても、各々の光電変換部に蓄積される電荷量が異なれば、ダイナミックレンジの広い画像を取得することができる。但し、光電変換部１２１と光電変換部１２２の露光時間が異なると、特に被写体の動きブレに差が生じるため、合成した画像が不自然になる場合がある。従って、光電変換部１２１と光電変換部１２２の露光時間は等しい方が好ましい。

画素１０１内には、感度の異なる３つ以上の光電変換部が配置されていても良い。感度の異なる３つ以上の光電変換部で取得した画素信号を合成することで、合成画像のダイナミックレンジを更に広げることができる。

（実施形態２）
実施形態２では、本発明に係る固体撮像素子を用いて、感度の異なる複数の光電変換部を異なる露光時間で駆動し、低感度かつ長露光時間の画像と、高感度かつ短露光時間の画像を同時に取得する例を説明する。

一般的には、滑らかな動画像を取得するための露光時間の方が、静止画像を取得するための露光時間よりも長いことが多いため、以下では、低感度かつ長露光時間の画像を動画像、高感度かつ短露光時間の画像を静止画像として説明する。静止画像の露光時間が動画像の露光時間よりも長い場合には、動画像と静止画像を取得するための光電変換部を入れ替えればよい。

本実施形態２は、第一の光電変換部１２１の露光時間が、第二の光電変換部１２２よりも短くなっている点で実施形態１とは異なっており、第一の光電変換部１２１で静止画用信号を、第二の光電変換部１２２で動画用信号を取得する。得られた信号は、周辺回路１０４から出力され、静止画像あるいは動画像の形成に用いられる。

ここで、固体撮像素子として図１７に示す従来の固体撮像素子を使用した場合を考える。図１７（ｃ）よりわかるように、特に角度範囲１０４０において、光電変換部１０２１、１０２２間の感度比の角度依存性が大きくなっている。そのため、使用するレンズや絞りの状態によって、光電変換部１０２１、１０２２の感度が変化する。その結果、静止画像や動画像の品質が低下するという課題も発生する。

例えば、使用するレンズのＦ値が大きかったり、絞りを絞ったりする場合は、画素に入射する光束の入射角は図１７（ｃ）の範囲１０４１に相当し、光電変換部１０２１の感度が大きく、光電変換部１０２２の感度が小さくなる。その結果、光電変換部１０２１が飽和しやすくなり、静止画像に白トビが生じやすくなる。また、光電変換部１０２２の感度が不足して、動画像に黒ツブレが生じやすくなる。

例えば、使用するレンズのＦ値が小さかったり、絞りを開放したりする場合は、画素に入射する光束の入射角は図１７（ｃ）の範囲１０４０に相当し、光電変換部１０２１の感度が小さく、光電変換部１０２２の感度が大きくなる。その結果、光電変換部１０２１の感度が不足して、静止画像に黒ツブレが生じやすくなる。また、光電変換部１０２２が飽和しやすくなり、動画像に白トビが生じやすくなる。

このように、光電変換部の感度の角度依存性が大きい場合、使用するレンズや絞りの状態によって、静止画像および動画像の品質が低下するという課題が発生する。

しかし、本発明に係る固体撮像素子は、図３に代表されるように、感度の異なる複数の光電変換部の、感度の角度依存性が低減されている。従って、前述したボケ像の歪が低減するという効果だけではなく、使用するレンズや絞りの状態によらず、品質の高い動画像と静止画像を同時に取得することも可能となる。

本実施形態に示す固体撮像素子を用いれば、第一の光電変換部１２１で取得する静止画用信号で静止画像、第二の光電変換部１２２で取得した動画用信号で動画像と、別々の画像を作成することが可能となる。そのため、静止画用信号と動画用信号の信号強度およびダイナミックレンジは、なるべく近い方が好ましい。

そこで、静止画用信号を取得する第一の光電変換部１２１の感度をＳ１、容量をＣ１、露光時間をＴ１、動画用信号を取得する第二の光電変換部１２２の感度をＳ２、容量をＣ２、露光時間をＴ２とした時、以下の関係を満たすことが最も好ましい。
Ｓ１×Ｔ１＝Ｓ２×Ｔ２ （式２）
Ｃ１／（Ｓ１×Ｔ１）＝Ｃ２／（Ｓ２×Ｔ２） （式３）

式２は、信号強度についての条件、式３はダイナミックレンジについての条件である。

前述したように、Ｓ１とＳ２との比は、導波路のずれ量を変えることで制御できる。式２からわかるように、本実施形態では、使用する静止画像と動画像の露光時間を想定して、Ｓ１とＳ２の比を決めればよい。例えば、動画像の露光時間が１／６０秒で、静止画像の露光時間が１／６００秒であるとすると、Ｓ１がＳ２の１０倍となるように、画素の構成を決定すればよい。

また、式２と式３を同時に満たす場合を考えると、第一の光電変換部１２１の容量Ｃ１と第二の光電変換部１２２の容量Ｃ２が等しい方が好ましい。ここでいう「等しい」とは、プロセスバラつきによる誤差は許容される。具体的には、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２との容量の差分が、第一の光電変換部の容量の１０％未満であれば、容量が等しいと言ってよい。

前述したように、光電変換部の容量は、光電変換部の体積と、光電変換部のドープ濃度とで決定される。図１５に第一の光電変換部が第二の光電変換部の容量が等しい例を示す。図１５（ａ）（ｂ）は各々、左側に画素１０１の基板表面の配置をＺ軸方向から見た時のＸＹ平面図、右側にＸＹ平面に示した一点鎖線におけるＸＹ断面図を示している。いずれの場合も、コア１１１の射出端１１１Ｅの中心１１３は、バリア領域１２３の中心１２４よりも、第一の光電変換部１２１側（−Ｘ側）にずらして設けられている。

図１５（ａ）は、第一の光電変換部１２１のＸ軸方向の長さの方が、第二の光電変換部１２２のＸ軸方向の長さよりも長く、かつ、第一の光電変換部１２１のＺ軸方向の深さが、第二の光電変換部１２２の深さよりも深い場合である。また、図１５（ｂ）は、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２とのＸ軸方向の長さ、Ｚ軸方向の深さおよびドープ濃度のいずれもが、互いに等しい場合である。光電変換部２２１、２２２の深さおよびドープ濃度が等しい方が、同一のイオン打ち込み条件で光電変換部２２１、２２２を形成できるため、製造プロセスが容易となる。従って、製造プロセスの観点からは、図１５（ｂ）の構成の方が好ましい。

また、画素内には３つ以上の光電変換部が配置されていても良い。３つの光電変換部の露光時間を各々変えて露光時間の異なる３つ以上の画像を同時に取得すれば、ブレの異なる複数の画像を取得することができる。また、設定したシャッタースピードに応じて使用する光電変換部を選択しても良い。式２、式３より、設定したシャッタースピードによって、好ましい光電変換部の特性は異なる。そのため、３つ以上の光電変換部から２つの光電変換部を選択することで、信号強度やダイナミックレンジの近い、静止画用信号と動画用信号を同時に取得することができる。

更に、露光時間の等しい複数の光電変換部で取得した信号はダイナミックレンジの広い画像の取得に利用し、露光時間の異なる複数の光電変換部で取得した信号は、静止画像と動画像の同時取得に利用するようにしても良い。

（実施形態３）
図１６は、本発明にかかる固体撮像素子１００を備えた撮像装置１９０の概略図である。撮像装置１９０は、撮像レンズ１９１を取り付けるためのレンズ取付部１９６を有する筺体１９７と、固体撮像素子１００と、撮像装置１９０の動作を制御する制御部１９８と、筺体内に外部の光を取り込む撮像レンズ１９１と、を備えている。そして、撮像レンズ１９１が、レンズ取付部１９６にて筺体１９７に取り付けられている。撮像装置１９０は、撮像レンズ１９１を筺体１９７から取り外して交換可能な構成であってもよいし、交換ができない構成であってもよい。制御部は、ＣＰＵ１９２、転送回路１９３、及び信号処理部１９４、素子駆動回路１９５を含んでいる。

ＣＰＵ１９２は、転送回路１９３、信号処理部１９４、素子駆動回路１９５を制御する回路である。素子駆動回路１９５は、ＣＰＵ１９２からの信号をうけて、固体撮像素子１００を駆動する回路であり、例えば各画素に設けられた光電変換部の露光時間や光電変換部で取得した信号の読み出しのタイミング等を制御する。転送回路１９３は、固体撮像素子１００から読みだされた信号を記憶したり、信号処理部１９４へ転送したりする。信号処理部１９４は、転送回路１９３を介して取得した信号の画像処理を行う。

撮像装置１９０は、固体撮像素子１００を、実施形態１で駆動するダイナミックレンジ拡大モードと、実施形態２で駆動する動静止画同時取得モードのどちらかが選択可能となっている。モードの選択は、ユーザーが不図示の操作部から行うことができ、ＣＰＵ１９２がモードに応じて各回路の制御を行う。

ダイナミックレンジ拡大モードが選択された場合、固体撮像素子１００は、第一の光電変換部と第二の光電変換部の露光時間を互いに等しく動作させ、感度が高い方の第一の光電変換部で高感度信号、感度が低い方の第二の光電変換部で低感度信号を取得する。そして、画素に入射する光量が閾値以下の場合には高感度信号を利用し、閾値以上の場合には低感度信号を利用して、両者を合成してダイナミックレンジの広い画像を形成する。

また、動静止画同時取得モードを選択した場合、固体撮像素子１００は、第一の光電変換部の露光時間を、第二の光電変換部の露光時間よりも短く動作させる。動きの速い被写体を撮影したい場合など、静止画の露光時間を動画よりも短く設定した場合、感度が高い方の第一の光電変換部で静止画用信号を取得し、感度が低い方の第二の光電変換部で動画用信号を取得する。一方、動きブレを意図的に付加したい場合など、静止画の露光時間を動画よりも短く設定した場合、感度が高い方の第一の光電変換部で動画用信号を取得し、感度が低い方の第二の光電変換部で静止画用信号を取得する。静止画の露光時間はユーザーが決定し、動画の露光時間は固体撮像素子のフレームレートと同程度に設定しておく。そして取得される静止画用信号および動画用信号から、各々静止画像と動画像を同時に形成することができる。

撮像装置１９０の固体撮像素子１００は、実施形態１か実施形態２のどちらかの一方の動作にのみ限定される必要はない。例えば、ダイナミックレンジの広い画像を取得するモードと、動画と静止画を同時に取得するモードの両方を備えていて、取得したい画像に応じてモードを切り替えても用いても良い。この場合、第一の光電変換部と第二の光電変換部各々の感度と容量は、少なくとも式１を満たしている必要がある。そのうえで、式２と式３を満たしていれば更に好ましい。

式２と式３を両立すれば、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２の容量は等しいので、必然的に式１も成立する。従って、ダイナミックレンジの広い画像を取得するモードおよび動画と静止画を同時に取得するモードを有する固体撮像素子の場合は、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２の容量が互いに等しいことが好ましい。

このように、本実施形態にかかる撮像装置は、ダイナミックレンジの広い優れた画像を取得可能であり、また動画と静止画を同時に取得することも可能となる。

１００ 固体撮像素子
１０１ 画素
１０２ 中心領域
１０３ マイクロレンズ
１１０ 導波路
１１１ コア
１１１Ｅ コアの射出端
１１２ クラッド
１１３ コアの射出端の中心
１１４ コアの射出端の第二の光電変換部側の端
１１５ コアの入射端の中心
１１６ 調整層
１２０ 基板
１２１ 第一の光電変換部
１２２ 第二の光電変換部
１２３ バリア領域
１２４ バリア領域の中心
１２６ 第二の光電変換部の中心
１２７ バリア領域と第二の光電変換部との境界
１９０ 撮像装置
１９１ 撮像レンズ
１９６ レンズ取付部
１９７ 筺体
１９８ 駆動部

Claims (26)

1. １つの画素に対応して、基板に形成された第一の光電変換部および前記第一の光電変換部よりも感度の低い第二の光電変換部と、前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部との間に形成されたバリア領域と、前記基板の光入射側に配置されたコアとクラッドを有する導波路と、前記導波路と前記基板とに挟まれた保護層と、が設けられている固体撮像素子であって、
   前記画素が設けられている画素領域の中心領域に含まれる画素において、前記コアの射出端の中心が、前記バリア領域の中心よりも、前記第一の光電変換部側に位置しており、
   前記コアの射出端の直下の領域における前記保護層の屈折率分布の標準偏差が、前記基板の面内方向において０．１以下であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記コアの射出端の前記第二の光電変換部側の端が、前記第二の光電変換部の中心よりも、前記第一の光電変換部側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記コアの射出端の前記第二の光電変換部側の端が、前記バリア領域と前記第二の光電変換部との境界よりも、前記第一の光電変換部側に位置していることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記コアの射出端と前記基板の表面との間の光学的距離が、前記第一の光電変換部および前記第二の光電変換部が感度を有する中心波長の２倍以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記コアの入射端の中心と前記コアの射出端の中心とが、前記基板の表面に対して垂直な方向からみて重なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記導波路の入射端よりも光入射側に、マイクロレンズが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記マイクロレンズの第一の光電変換部の中心と第二の光電変換部の中心とを結ぶ線に平行な第一の方向における屈折力が、前記基板表面に平行な面において前記第一の方向に垂直な第二の方向における屈折力よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 前記マイクロレンズが、前記第一の方向を軸とするシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記マイクロレンズの前記第一の方向の屈折率分布と前記第二の方向の屈折率分布とが、互いに異なることを特徴とする請求項７または８に記載の固体撮像素子。
10. さらに前記第一の光電変換部および前記第二の光電変換部で取得された信号を伝送する配線を備えており、前記配線が、前記基板の前記導波路が配置されている側とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
11. 前記バリア領域のポテンシャル障壁の高さが、前記第一の光電変換部および前記第二の光電変換部を囲む前記バリア領域以外の領域に設けられているポテンシャル障壁の高さ以上であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
12. 前記中心領域が、前記画素領域の中心からの距離が前記画素領域の対角線の長さの四分の一以下の領域であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
13. 前記画素領域に複数の画素が設けられており、各画素において前記第一の光電変換部から第二の光電変換部へ向かう向きが、前記複数の画素の間で互いに同じであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
14. 前記画素領域に複数の画素が設けられており、各画素において第一の光電変換部の中心から第二の光電変換部の中心へ向かう向きが、基板表面において第一の光電変換部の中心と第二の光電変換部の中心とを結ぶ線と直交する方向に隣接する複数の画素間で、反転していることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
15. 前記画素に入射する光量が所定の閾値以下の場合には前記第一の光電変換部で取得した信号を出力し、前記画素に入射する光量が前記所定の閾値以上の場合には前記第二の光電変換部で取得した信号を出力することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置。
16. 前記第一の光電変換部の容量をＣ１、感度をＳ１とし、前記第二の光電変換部の容量をＣ２、感度をＳ２とした時、Ｃ１／Ｓ１＞Ｃ２／Ｓ２の関係を満たすことを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像素子。
17. 前記第一の光電変換部の露光時間が前記第二の光電変換部の露光時間よりも短いことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
18. 前記第一の光電変換部の容量が、前記第二の光電変換部の容量と等しいことを特徴とする請求項１７に記載の固体撮像素子。
19. 第一の光電変換部の中心と第二の光電変換部の中心とを結ぶ線に平行な第一の方向における、前記第一の光電変換部の長さと前記第二の光電変換部の長さが互いに等しく、前記第一の光電変換部の深さと前記第二の光電変換部の深さとが互いに等しいことを特徴とする請求項１８に記載の固体撮像素子。
20. 前記第一の光電変換部の感度をＳ１、容量をＣ１、露光時間をＴ１とし、前記第二の光電変換部の感度をＳ２、容量をＣ２、露光時間をＴ２とした時、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
    Ｓ１×Ｔ１＝Ｓ２×Ｔ２、かつ
    Ｃ１／（Ｓ１×Ｔ１）＝Ｃ２／（Ｓ２×Ｔ２）
21. 筺体内に請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。
22. 前記画素に入射する光量が所定の閾値以下の場合には前記第一の光電変換部で取得した信号を使用し、前記画素に入射する光量が前記閾値以上の場合には前記第二の光電変換部で取得した信号を使用して画像を形成することを特徴とする請求項２１に記載の撮像装置。
23. 筺体内に設けられた請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
    制御部と、を備える撮像装置であって、
    ダイナミックレンジの広い画像を形成するダイナミックレンジ拡大モードと、
    動画像と静止画像を同時に取得する動静止画同時取得モードと、を選択可能であることを特徴とする撮像装置。
24. 前記制御部が、前記ダイナミックレンジ拡大モードが選択された時には、前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部の露光時間を互いに等しく、
    前記動静止画同時取得モードが選択された時には、前記第一の光電変換部の露光時間を、前記第二の光電変換部の露光時間よりも短く動作させることをと特徴とする請求項２３に記載の撮像装置。
25. 前記制御部が、前記ダイナミックレンジ拡大モードが選択された時には、前記画素に入射する光量が閾値以下の場合に前記第一の光電変換部で取得した信号、前記画素に入射する光量が前記閾値以上の場合には前記第二の光電変換部で取得した信号を使用して画像を形成し、
    動静止画同時取得モードが選択された時には、第一の光電変換部で取得した信号で静止画像、第二の光電変換部で取得した信号で動画像を形成することを特徴とする請求項２３に記載の撮像装置。
26. 筺体内に設けられた請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
    制御部と、
    を備える撮像装置であって、
    前記制御部が、前記第一の光電変換部で取得した信号で静止画像を形成し、第二の光電変換部で取得した信号で動画像を形成するか、
    または、第一の光電変換部で取得した信号で動画像を形成し、第二の光電変換部で取得した信号で静止画像を形成することを特徴とする撮像装置。

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